KR101014981B1 - 전지 모듈 - Google Patents

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신이찌로 고스기
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

전지 시스템에서, 직렬로 접속한 전지 모듈(3a, 3b)의 각각은, 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 접속된 1 이상의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)과, 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 단전지 전압 스위치(7a, 7b)와, 검출된 1 이상의 단셀의 각 전압을 감시하는 모듈 감시 제어부(9a, 9b)와, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 갖고, 통신용 레벨 변환 회로를 통하여 1 이상의 단셀의 각 전압 정보를 모듈 감시 제어부로부터 수취하는 마스터부(8a)를 갖고, 통신용 레벨 변환 회로는, 하위 전위의 전지 모듈의 신호를 상위 전위의 전지 모듈에 전달하는 스위치 소자(Q32)를 갖고, 상위 전위의 전지 모듈 내의 최고 전위의 단셀의 정극과 하위 전위의 전지 모듈 내의 최저 전위의 단셀의 부극 사이에, 저항 R1', R2'와 저항 R5와 스위치 소자로 이루어지는 직렬 회로가 접속된다.
단전지 전압 스위치, 모듈 감시 제어부, 보호 신호용 레벨 변환 회로, 전지 모듈, 방전 금지 스위치, 사이리스터, IGBT, 바이어스 전류

Description

전지 모듈{BATTERY MODULE}
본 발명은, 1 이상의 전지 모듈을 직렬로 접속하여 이루어지는 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 각각의 전지 모듈이 1 이상의 단셀로 이루어지는 리튬 이온 전지를 이용한 전지 시스템에 관한 것이다．
전기 자동차나 하이브리드 카에서는, 동력원 또는 보조 동력원으로서 전동 모터가 이용되고 있다. 이 전동 모터의 전력원으로서 다수의 단셀을 직렬로 접속한 2차 전지가 이용되고 있다. 예를 들면, 단셀당의 표준 전압이 1.2V인 니켈 수소 전지를 60셀 직렬로 접속한 2차 전지가 일본 특허 공보 특개 2001-204141호에 기재되어 있다.
이러한 니켈 수소 전지에서는, 단셀의 전지 전압이 작아, 60셀이라도 약 70V 정도의 전압밖에 얻어지지 않는다. 이 때문에, 고전압이며 또한 고출력으로 구동하는 전기 자동차 등에는 부적합하였다. 또한, 니켈 수소 전지는, 만충전의 경우에는, 자기 방전하게 된다고 문제도 있다.
한편, 리튬 이온 전지는, 예를 들면 300V∼1000V의 고전압이며 또한 고출력이 얻어지고, 또한, 만충전의 경우라도 자기 방전하지 않는다고 하는 이점이 있다. 이 때문에, 리튬 이온 전지로 이루어지는 단셀을 직렬로 접속한 조전지를 이용하는 것이 생각된다.
또한, 일본 특허 공보 특개평 11-160367호에 기재된 전기 자동차용 조전지의 전압 검출 장치에서, 예를 들면 300V의 고전압의 주행 전력 축전용의 주배터리는 다수의 전지 모듈로 분할되고, 각 전지 모듈의 모듈 전압은 차동형 전압 검출 회로 및 A/D 변환 회로에 의해 검출되어, 신호 처리 회로부에 전송된다. 차동형 전압 검출 회로 및 A/D 변환 회로의 회로 차동용 전력은 주배터리가 아니라 보기(補機) 배터리로부터 DC-DC 컨버터를 통하여 급전된다. 이에 의해, 개방 모듈 전압을 보다 고정밀도로 검출할 수 있어, 고전압의 조전지의 불필요한 수명 단축을 회피할 수 있다.
또한, 일본 특허 공보 특개 2003-70179호에 기재된 축전 장치는, 복수의 축전기를 직렬로 접속한 축전 모듈을 다시 직렬로 접속한 복수의 축전 모듈과, 복수의 축전 모듈의 각각에 대응하여 설치되며 또한 축전 모듈을 구성하는 복수의 축전기를 제어하는 복수의 하위 제어 장치와, 복수의 하위 제어 장치를 제어하는 상위 제어 장치를 구비한다. 하위 제어 장치는, 하위 제어 장치가 제어하는 축전 모듈의 복수의 축전기의 상태를 검출하고, 상태 검출 신호와 고전위측의 하위 제어 장치로부터의 입력 신호와의 논리합 또는 논리곱을 취하고, 그 결과를 저전위측의 하위 제어 장치에 출력한다. 이 내용은, 상기 특허 공보의 청구항 4 및 5에 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 공보 특개 2005-117780호에 기재된 전지용 보호 IC는, 직렬 접속된 복수의 전지로 이루어지는 블록을 감시하는 것으로서, 전지 팩의 충전 시에 블록 내의 어느 하나의 전지의 단자 전압이 규정값 이상으로 된 경우에 과전압 신호를 출력하는 과전압 검출 회로와, 전지 팩의 방전 시에 어느 하나의 전지의 단자 전압이 규정값 이하로 된 경우에 과방전 신호를 출력하는 과방전 검출 회로와, 과전압 신호를 검출하였을 때에 온하여 통보하는 제1 스위치와, 과방전 신호를 검출하였을 때에 온하여 통보하는 제2 스위치를 갖는다. 이 내용은, 상기 특허 공보의 단락 번호 [0024], [0025]에 기재되어 있다.
<발명의 개시>
그러나, 리튬 이온 전지로 이루어지는 단셀을 복수개 직렬로 접속한 2차 전지가 전지 모듈로서 구성되고, 이 전지 모듈을 복수개 직렬로 접속하여 전지 시스템이 구성된 경우에, 단셀의 충전과 방전이 반복하여 행하여지면, 단셀의 전압의 변동이 발생한다. 이 때문에, 단셀마다의 전압을 감시하여, 어느 단셀에서도 과충전이나 과방전이 발생하지 않도록 관리할 필요가 있었다．
또한, 일본 특허 공보 특개 11-160367호에 기재된 다수의 전지 모듈로 이루어지는 주배터리는, 예를 들면 300V의 고전압이며, 각각의 전지 모듈도 고전압으로 되어 있다. 이 때문에, 이 고전압에서의 전지 모듈의 전압 감시가 곤란하였다.
또한, 일본 특허 공보 특개 2003-70179호에 기재된 축전 장치나 일본 특허 공보 특개 2005-117780호에 기재된 전지용 보호 IC에서는, 전지로부터의 전압에 의해 동작하는 반도체 소자가 이용되고 있다. 그러나, 직렬로 접속된 복수의 전지 모듈 중의 하이사이드 측의 전지 모듈에 이용되는 반도체 소자는, 고내압의 소자를 이용해야만 하여, 코스트가 높아진다.
본 발명은, 저내압의 반도체 소자를 이용할 수 있는 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 전지 시스템은, 1 이상의 단셀과, 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 전압 검출부와, 전압 검출부에서 검출된 각 전압의 전압 정보를 출력함과 함께 전압 정보가 소정값으로 될 경우에 전원 라인을 차단하기 위한 신호를 차단 수단에 출력하는 감시 제어부와, 제1 커넥터 및 제1 커넥터와는 별도로 설치된 제2 커넥터를 가지며, 제1 커넥터 및 제2 커넥터를 통하여 제1 및 제2의 다른 전지 모듈과 자신의 전지 모듈과의 사이에서 전압 정보의 송수신을 행하는 통신 회로를 가지며, 통신 회로는, 1 이상의 단셀을 구성하는 조전지(組電池)의 정극에 일단이 접속되는 제1 저항과, 일단이 제1 저항의 타단에 접속되며, 타단에 제1 커넥터로부터 전압 정보가 입력되는 제2 저항과, 드레인이 조전지의 정극에 접속되며, 게이트가 제1 저항과 제2 저항이 접속되는 배선에 접속되며, 제1 커넥터로부터의 전압 정보가 제2 저항을 통하여 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제1 스위치 소자와, 일단이 제1 스위치 소자의 소스에 접속되며, 타단이 조전지의 부극에 접속되는 제3 저항과, 일단이 제2 커넥터에 접속되는 제4 저항과, 게이트가 제3 저항의 일단에 접속되며, 소스가 조전지의 부극에 접속되며, 드레인이 제4 저항의 타단에 접속되며, 제1 스위치 소자가 턴온될 때에 턴 온됨으로써 제1 커넥터로부터의 전압 정보를 제4 저항을 통하여 제2 커넥터에 전달하는 제2 스위치 소자를 갖는다.
본 발명에 따른 전지 시스템에 따르면, 제1 스위치 소자가 상위 전위의 전지 모듈 내의 최고 전위의 단셀의 정극과 하위 전위의 전지 모듈 내의 최저 전위의 단셀의 부극 사이에 설치되므로, 제1 스위치 소자는, 1개의 전지 모듈 내의 모든 단셀의 전압을 합계한 총합 전압의 약 2배의 내압이면 된다. 이에 의해, 저내압의 반도체 소자를 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 2는 실시예 1에 따른 전지 시스템의 전지 모듈 내의 보호 신호용 레벨 변환 회로의 상세한 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 5는 도 4에 도시하는 보호 신호용 레벨 변환 회로의 상세한 회로 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 전지 시스템의 전지 모듈 내의 통신용 레벨 변환 회로의 상세한 회로도.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 본 발명의 실시예 4에 따른 전지 시스템의 전지 모듈 내의 통신용 레벨 변환 회로의 통신 프로토콜을 설명하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템의 구성 블록도.
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에 설치된 하위 전위의 전지 모듈로부터 상위 전위의 전지 모듈에의 통신을 행하는 통신용 레벨 변환 회로 및 제어용 레벨 변환 회로의 구성 블록도.
도 12는 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에 설치된 상위 전위의 전지 모듈로부터 하위 전위의 전지 모듈에의 통신을 행하는 통신용 레벨 변환 회로의 구성 블록도.
도 13은, 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에서 과충전 금지 보호 신 호의 전지 모듈간 통신을 행하는 보호 신호용 레벨 변환 드라이버의 구성 블록도.
도 14는 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에서 과방전 금지 보호 신호의 전지 모듈간 통신을 행하는 보호 신호용 레벨 변환 드라이버의 구성 블록도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 전지 시스템이 도면을 참조하면서 상세하게 설명된다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 전지 시스템의 구성 블록도이다. 도 1에 도시하는 전지 시스템은, 예를 들면, 전기 자동차 등의 배터리에 이용되고, 전지 모듈(1a)과 전지 모듈(1b)을 직렬로 접속하여 구성된다. 또한, 전지 모듈은, 3개 이상의 전지 모듈을 직렬로 접속하여 구성되어도 된다．
전지 모듈(1a)의 +단자 A와 전지 모듈(1b)의 -단자 B 사이에는, 도시하지 않은 발진기로부터의 전력 혹은 도시하지 않은 모터로부터의 회생 전력이 공급되어, 전지 모듈(1a, 1b)이 충전되고, 또한, 모터의 구동에 의해 전지 모듈(1a, 1b)이 방전되도록 되어 있다.
각각의 전지 모듈(1a, 1b)은, 직렬로 접속된 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)과, 단전지 전압 스위치(7a, 7b)와, 모듈 감시 제어부(9a, 9b)와, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a, 11b)를 갖는다. 복수의 단셀의 각각은, 리튬 이온 전지로 이루어지고, 고전압이며 또한 고출력이다.
단전지 전압 스위치(7a, 7b)는, 본 발명의 전압 검출부에 대응하고, 단셀마다 스위치를 갖고, 단셀의 전압 측정 시에 모듈 감시 제어부(9a, 9b)로부터의 온 신호에 의해 온하여 단셀의 전압을 검출하며, 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)의 각 전압을 검출한다.
모듈 감시 제어부(9a, 9b)는, 단전지 전압 스위치(7a, 7b)에서 검출된 각 전압 중 어느 하나의 전압이 상한값(예를 들면 4.3V)으로 된 경우에 과충전 금지를 위한 보호 신호 또는 전압이 하한값(예를 들면 2.5V)으로 된 경우에 과방전 금지를 위한 보호 신호를 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a, 11b)에 출력한다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11a)는, 본 발명의 송신 수단에 대응하고, 전지 모듈(1a)의 전압을 전지 모듈(1b)의 전압에 맞추도록 레벨 변환한다. 즉, 전지 모듈(1b)의 전압은, 예를 들면 0∼12V이며, 전지 모듈(1b) 내의 복수의 단셀의 최하위의 부극 단자가 기준 전위 0V일 때, 전지 모듈(1a)의 전압은, 12∼24V이다. 이 때문에, 전지 모듈(1a)로부터의 신호 레벨을 전지 모듈(1b)의 신호 레벨에 맞추기 위해, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a)는, 12∼24V로부터 0∼12V로 레벨 변환한다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11a)는, 자기의 모듈 감시 제어부(9a)로부터의 과충전 금지를 위한 보호 신호를 신호선(12b)을 통하여 전지 모듈(1b)의 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)에 출력한다. 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a)는, 자기의 모듈 감시 제어부(9a)로부터의 과방전 금지를 위한 보호 신호를 신호선(12a)을 통하여 전지 모듈(1b)에 출력한다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)는, 본 발명의 송신 수단에 대응하고, 자기의 모듈 감시 제어부(9b)로부터의 과충전 금지를 위한 보호 신호와 전지 모듈(1a) 내의 모듈 감시 제어부(9a)로부터의 과충전 금지를 위한 보호 신호와의 논리합을 신호선(12b)을 통하여 충전 금지 스위치(15)에 출력한다. 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)는, 자기의 모듈 감시 제어부(9b)로부터의 과방전 금지를 위한 보호 신호와 전지 모듈(1a) 내의 모듈 감시 제어부(9a)로부터의 과방전 금지를 위한 보호 신호와의 논리합을 신호선(12a)을 통하여 방전 금지 스위치(13)에 출력한다.
방전 금지 스위치(13)와 충전 금지 스위치(15)는 직렬로 접속되고, MOSFET로 이루어지며, 또한 전지 모듈(3b)과 -단자 사이에 설치되어 있다. 또한, 방전 금지 스위치(13)와 충전 금지 스위치(15)는 사이리스터나 GTO, IGBT 등을 이용해도 된다. 방전 금지 스위치(13)는, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)로부터의 방전 금지를 위한 보호 신호에 의해 오프하여 1 이상의 단셀의 과방전을 금지한다. 충전 금지 스위치(15)는, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)로부터의 충전 금지를 위한 보호 신호에 의해 오프하여 1 이상의 단셀의 과충전을 금지한다.
이와 같이 구성된 실시예 1의 전지 시스템에 따르면, 각각의 전지 모듈(1a, 1b)에서, 전압 검출부(7a, 7b)가 복수의 단셀의 각 전압을 검출하면, 모듈 감시 제어부(9a, 9b)는, 검출된 각 전압 중 어느 하나의 전압이 상한값으로 된 경우에 과충전 금지를 위한 보호 신호 또는 전압이 하한값으로 된 경우에 과방전 금지를 위한 보호 신호를 출력한다. 예를 들면, 전지 모듈(1a)에서, 복수의 단셀의 과충전이 발생한 경우에는, 과충전 금지를 위한 보호 신호가 보호 신호용 레벨 변환 회 로(11a)에 보내어진다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11a)는, 과충전 금지를 위한 보호 신호를 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)에 보낸다. 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)는, 자기의 모듈 감시 제어부(9b)로부터의 보호 신호(이 경우에는 없음)와 전지 모듈(1a)로부터의 보호 신호(이 경우에는 있음)와의 논리합을 취하고 이 논리합 출력을 충전 금지 스위치(15)에 출력한다. 충전 금지 스위치(15)는, 레벨 변환 회로(11b)로부터의 보호 신호에 의해 복수의 단셀의 과방전을 금지한다. 또한, 과충전에 대해서도, 과방전의 동작과 마찬가지로 동작한다. 따라서, 어느 단셀에서도 과충전이나 과방전의 발생을 없앨 수 있다.
또한, 신호선(12a, 12b)을 통하여, 논리합 출력된 보호 신호가 한 방향으로(방전 금지 스위치(13) 또는 충전 금지 스위치(15)에) 전송된다. 회로가 논리 회로만으로 구성되고, 마이크로컴퓨터 등의 연산 회로가 이용되지 않기 때문에, 신호를 고속으로 전송할 수 있어, 처리가 고속으로 된다.
또한, 도 2는, 실시예 1에 따른 전지 시스템의 전지 모듈 내의 보호 신호용 레벨 변환 회로의 상세한 회로도를 도시한다. 도 2는, n개(3 이상)의 전지 모듈이 직렬 접속된 전지 시스템 내의, k번째의 전지 모듈(5k)의 내부 구성을 도시하고 있다.
우선, 과충전 시에는, 충전 금지(CI) 신호는, 액티브로 되고, 모듈 감시 제어부(9k)로부터의 충전 금지 입력 CI(L 레벨)에 의해 스위치 Q7이 온(폐)한다. 또는, 상위 모듈로부터의 충전 금지 입력(H 레벨)에 의해 스위치 Q6이 온하고, 저항 r16과 저항 r17에 바이어스 전류가 흘러 스위치 Q7이 온한다. 스위치 Q7 또는 스위치 Q8에 전류가 흐르면, 저항 r18과 저항 r19에 바이어스 전류가 흘러 스위치 Q9와 스위치 Q10이 온한다. 저항 r22에 전류가 흘러, 하위 모듈의 충전 금지 출력이 출력되고, 최종적으로 충전 금지 스위치(15)가 오프된다. 이와 같이 하여, 상위 모듈로부터 하위 모듈에 충전 금지 입력으로서 미소한 전류가 흐름으로써, 전압의 모듈간에서 보호 신호를 고속으로 또한 저소비 전력으로 전달할 수 있다. 또한, 충전 금지 스위치(15)가 온일 때에는, 레벨 변환부의 바이어스 전류는 리크 전류만으로 되어, 전지 시스템은 전력 절약화 상태로 된다.
다음으로, 과방전 시에는, 방전 금지(DI) 신호는, 비액티브로 된다. 이 때, 모듈 감시 제어부(9k)로부터의 방전 금지 입력 DI(H 레벨)에 의해 스위치 Q3이 오프(개)하여, 저항 r7, r8에 전류가 흐르지 않게 된다. 스위치 Q4가 오프하고, 저항 r9와 저항 r10에 전류가 흘러, 스위치 Q5가 오프하고, 하위 모듈에의 방전 금지 출력(L 레벨)이 출력된다. 저항 r23에 바이어스 전류가 흐르지 않게 되어, 방전 금지 스위치(13)가 꺼진다. 상위 모듈로부터의 방전 금지 입력(L 레벨)이 있으면, 저항 r1, r2에 바이어스 전류가 흐르지 않게 되어, 스위치 Q1, Q2, Q4, Q5가 꺼지고, 동일하게, 스위치(13)가 꺼진다.
한편, 자기 모듈과 상위 모듈로부터의 어느 것에도 충전 금지가 없는 경우에는, 스위치 Q6, Q7, Q8, Q9, Q10은 오프 그대로이고, 하위 모듈의 충전 금지 출력은 출력되지 않는다. 저항 r24에는 전류가 흐르지 않고, 스위치(15)는 온 그대로이다. 마찬가지로, 자기 모듈과 상위 모듈로부터의 어느 것에도 방전 금지가 없는 경우에는, 스위치 Q1, Q2, Q3, Q4, Q5는 온이고, 저항 r11, r13에는 바이어스 전류가 흘러, 스위치 Q13은 온으로 되어 있다. 저항 r1∼r24는, 고저항이면 되므로, 어떠한 상태라도 미소한 전류밖에 흐르지 않아, 전지 시스템이 저소비 전력으로 된다.
또한, 단전지 전압 스위치 및 모듈 감시 제어부는 VD, VO간 전압에 의해 구동된다.
(실시예 2)
도 3에 도시하는 전지 시스템은, 도 1에 도시하는 실시예 1의 전지 시스템에 대하여, 또한, 전지 모듈(1a-1, 1b-1)마다, 복수의 단셀의 온도를 검출하는 온도 검출부로서의 서미스터 등의 온도 센서(21a, 21b)를 설치하고 있다.
또한, 모듈 감시 제어부(9a-1, 9b-1)는, 온도 센서(21a, 21b)에서 검출된 온도 정보에 기초하여 온도가 소정의 온도 이상으로 되었을 때에, 과방전 금지를 위한 보호 신호와 과충전 금지를 위한 보호 신호를 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a, 11b)에 출력한다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11b)는, 과방전 금지를 위한 보호 신호를 방전 금지 스위치(13)에 출력하고, 과충전 금지를 위한 보호 신호를 충전 금지 스위치(15)에 출력한다.
다수의 모듈이 직렬로 접속되어 사용되는 경우, 전지와 서미스터의 절연 내압을 유지하기 위해, 절연물에 의해 서미스터와 전지를 구획할 필요가 있다. 그러나, 절연물에 의해 서미스터와 전지가 구획되면, 온도를 정확하게 측정할 수 없게 된다. 이에 대하여, 본 실시예와 같이 전기적으로 동일한 전위에 있는 모듈마다의 모듈 감시 제어부로부터 서미스터에 의한 측정을 행함으로써, 고전압이라도 정밀도 좋게 온도를 측정할 수 있다．
이와 같이, 복수의 단셀의 온도가 소정의 온도 이상으로 된 경우에는, 단셀에 이상이 발생하였다고 간주하고, 과방전 금지 및 과충전 금지를 행하므로, 전지 시스템의 안전성을 향상시킬 수 있다.
(실시예 3)
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 전지 시스템의 구성 블록도이다. 도 4에 도시하는 실시예 3의 전지 시스템은, 도 1에 도시하는 실시예 1의 전지 시스템의 구성에 대하여, 또한, 전지 모듈(1a-2, 1b-2)이, 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)에 직렬로 접속되며 또한 전지 모듈(1a-2, 1b-2)간의 조립 시에 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)의 방전을 금지하기 위한 방전 금지 스위치(23a, 23b)를 갖는 것을 특징으로 한다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11b-2)는, 방전 금지 해제 스위치 S1로부터의 방전 금지 해제 신호를 전지 모듈(1a-2)의 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-2) 및 방전 금지 스위치(23a)에 출력한다.
방전 금지 스위치(23a)는, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b-2)로부터의 방전 금지 해제 신호에 의해 온하여 복수의 단셀(3a1∼3an)의 방전 금지를 해제한다. 방전 금지 스위치(23b)는, 방전 금지 해제 스위치 S1로부터의 방전 금지 해제 신호에 의해 온하여 복수의 단셀(3b1∼3bn)의 방전 금지를 해제한다.
이와 같이 실시예 3의 전지 시스템에 따르면, 전지 모듈(3a, 3b)의 조립 시에는, 전지 모듈(3a) 단자간이 방전 금지 스위치(23a)에 의해 오프하고, 전지 모듈(3b) 단자간이 방전 금지 스위치(23b)에 의해 오프하고 있으므로, 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)의 방전을 금지할 수 있다. 이 때문에, 전지 모듈간의 조립 시의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전지 모듈간의 조립이 종료된 후에는, 방전 금지 해제 스위치 S1을 온함으로써, 방전 금지 해제 신호가 방전 금지 스위치(23b)에 보내어지고, 방전 금지 해제 신호가 레벨 변환 회로(11a-2)를 통하여 방전 금지 스위치(23a)에 보내어지므로, 방전 금지 스위치(23a, 23b)가 온하여 방전 금지가 해제된다.
도 5는 도 4에 도시하는 보호 신호용 레벨 변환 회로의 상세한 회로 구성도이다. 저항 r1∼r25까지는 도 2와 완전히 동일한 동작으로 된다. 하위 모듈로부터의 방전 금지 입력 DLI(H 레벨) 또는 도 4의 스위치 S1이 오픈 H 레벨로 되면, 저항 r26, r27에 바이어스 전류가 흐르지 않게 된다. 스위치 Q12, Q13, Q14, Q15가 오프로 되어, 저항 r33에 전류가 흐르지 않게 되어, 모듈의 방전 금지 스위치(23b)가 오프로 된다.
한편, 도 4의 스위치 S1이 온 혹은 하위 모듈로부터의 방전 금지 입력 DLI가 L 레벨인 경우, 저항 r26, r27에 바이어스 전류가 흘러, 스위치 Q13∼Q15는 모두 온으로 된다. 저항 r33에 바이어스 전류가 흘러, 모듈의 방전 금지 스위치(23b)는 온으로 된다.
(실시예 4)
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 전지 시스템의 구성 블록도이다. 도 6에 도시하는 전지 시스템에서, 전지 모듈(1a-4, 1b-4)은, 단전지 전압 스위치(7a, 7b)와, 모듈 감시 제어부(9a-4, 9b-4)와, 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-4, 11b-4)와, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 갖는다.
통신용 레벨 변환 회로(14a)와 통신용 레벨 변환 회로(14b)는, 송수신용의 신호선(16a, 18a)으로 접속되고, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)는, 인접하는 전지 모듈과의 사이에서 데이터 통신을 행한다.
통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)의 통신 프로토콜의 제1 예는, 송신 시에, 싱글 마스터 방식을 채용하고, 마스터 모듈로부터의 지시가 있을 때에만 슬레이브 모듈은 데이터를 송신한다. 전송 데이터 길이는, 예를 들면 8비트이고, 1스톱 비트의 UART 형식으로 LSB 퍼스트로 송신된다. 수신 시에는, 다른 슬레이브 모듈이 출력하고 있는 데이터도 수신된다.
통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)의 통신 프로토콜의 제2 예는, 메시지 프레임을 이용한 예이다. 메시지 프레임은, 헤더와 레스펀스로 이루어진다. 헤더는, 마스터 모듈이 출력하는 프레임으로, 싱크 브레이크(Synch Break), 싱크 필드(Synch Field), 아이덴트 필드(Ident Field), 커맨드 필드(Command Field)로 구성되어 있다.
싱크 브레이크는, 프레임의 개시를 나타내고, 싱크 필드는, 각 노드의 주파수 오차를 조정하고, 아이덴트 필드는, ID로 구성되며, 슬레이브의 모듈 지정을 의미하고, 커맨드 필드는, 모듈 내 단전지의 위치나 전압, 온도, 에러 정보 등을 송 출하게 하는 레스펀스 데이터를 지정한다.
레스펀스는, 마스터 또는 마스터 모듈이 지정한 슬레이브가 출력하는 프레임으로, 데이터와 체크섬으로 구성되어 있다. 데이터는, 2, 4, 8바이트의 3종류의 데이터로 이루어진다. 체크섬은, 에러 검지용의 체크섬이며, 모듈로 256의 계산식의 연산 결과를 반전한 것이다. 도 8에 통신 프로토콜의 제2 예가 도시된다.
모듈 감시 제어부(9b-4)는, 도 1에 도시하는 모듈 감시 제어부(9b)의 기능을 가짐과 함께, 마스터로 이루어지며, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 통하여 슬레이브로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9a-4)에 대하여, 과방전 또는 과충전의 단셀의 위치 정보 및 전압 정보를 요구한다.
모듈 감시 제어부(9a-4)는, 도 1에 도시하는 모듈 감시 제어부(9a)의 기능을 가짐과 함께, 슬레이브로 이루어지며, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 통한 마스터로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9b-4)로부터의 요구에 따라서, 과방전 또는 과충전의 단셀의 위치 정보 및 전압 정보를 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 통하여 마스터로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9b-4)에 출력한다.
마스터로 이루어지는 감시 제어부(9b-4)는, 예를 들면 노트북 퍼스널 컴퓨터와 배터리 팩간의 통신에 사용되고 있는 스마트 배터리 시스템을 사용하여 통신 수단으로 하면 된다. 자동차 등의 경우에는, CAN(컨트롤러 에리어 네트워크), LAN(로컬 에리어 네트워크) 등의 통신 수단이 표준 시스템으로서 제안되어 있고, 그 규격에 따름으로써 외부와의 통신을 행할 수 있다.
또한, 그 밖의 구성은, 도 1에 도시하는 실시예 1의 전지 시스템의 구성과 동일하므로, 동일 부분에는 동일 부호를 붙인다.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따른 전지 시스템의 전지 모듈 내의 통신용 레벨 변환 회로의 상세한 회로도이다. 도 7은, n개(3 이상)의 전지 모듈이 직렬 접속된 전지 시스템 내의, k번째의 전지 모듈의 내부 구성을 도시하고 있다.
또한, 송수신용 신호선은, 비액티브 시에는 고전위로 되는 마이너스 논리(도면 중에서는 N)이고, 하위 모듈로부터의 수신 신호와 상위 모듈에의 송신 신호도 마찬가지로 마이너스 논리이다. 또한, 상위 모듈로부터의 수신 입력과 하위 모듈에의 송신 출력은 플러스 논리(도면 중에서는 P)이다.
우선, 모듈 감시 제어부(9k-4)로부터 데이터가 송신(TX)될 때에는, 데이터의 입력에 의해, 스위치 Q25가 온하여, 저항 r41과 저항 r42에 전류가 흐른다. 스위치 Q27, Q28이 오프하여, 하위 모듈에 데이터가 송신된다. 또한, 스위치 Q21이 온하고 스위치 Q22가 오프하여, 상위 모듈에 데이터가 송신된다. 다음으로, 모듈 감시 제어부(9k-4)가 데이터를 수신(RX)할 때에는, 하위 모듈로부터의 송신 입력에 의해 스위치 Q21이 온하고, 스위치 Q23이 오프하여, 하위 모듈로부터의 송신 입력이 수신된다.
이러한 구성에 따르면, 모듈 감시 제어부(9a-4)는, 모듈 감시 제어부(9b-4)로부터의 요구에 따라서, 과방전 또는 과충전의 단셀의 위치 정보 및 전압 정보를 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 통하여 마스터로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9b-4)에 출력한다. 마스터로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9b-4)는, 과방전 또는 과충전의 단셀의 위치 정보 및 전압 정보에 기초하여 어느 단셀에서 과방전 또 는 과충전이 발생하였는지를 파악할 수 있다. 또한, 전압 정보에 의해 어느 단셀에 전압 이상이 있는지의 여부를 파악할 수 있다. 또한, 마스터로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9b-4)는, 실시예 2와 같은 온도 센서로부터의 온도 정보에 기초하여 단셀에 전압 이상이 있는지의 여부를 파악할 수 있다.
(실시예 5)
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따른 전지 시스템의 구성 블록도이다. 도 9에 도시하는 전지 시스템은, 직렬로 접속된 전지 모듈(1a-6, 1b-6)과, 전지 시스템 전체의 감시 제어를 행하는 마스터부(8)를 직렬로 접속하여 이루어진다.
전지 모듈(1a-6, 1b-6)은, 직렬로 접속된 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn), 단전지 전압 스위치(7a, 7b), 모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6), 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-6, 11b-6), 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b), 방전 금지 스위치(23a, 23b)를 갖고 있다.
모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)는, 도 1에 도시하는 모듈 감시 제어부(9a, 9b)의 기능을 가짐과 함께, 감시 제어부(10)에 대하여 슬레이브로서 동작한다. 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-6, 11b-6)는, 상위 모듈로부터의 방전 금지 입력(DI) 및 하위 모듈 혹은 마스터부(8)에의 레벨 변환 방전 금지 출력 기능(DO1), 상위 모듈로부터의 충전 금지 입력(CI) 및 하위 모듈 혹은 마스터부(8)에의 레벨 변환 충전 금지 출력(CO) 기능, 하위 모듈 혹은 마스터부(8)로부터의 모듈 방전 금지 입력(MI) 및 상위 모듈에의 레벨 변환 모듈 방전 금지 출력(MO), 자모듈 방전 금지 출력(DO2)을 갖는다. 이상의 레벨 변환의 구체적인 회로 구성은 도 5에 이미 도시한 회로로 달성된다.
보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-6, 11b-6)는, 또한, 하위 모듈 혹은 마스터부(8)로부터의 클럭 입력(CKI)과 상위 모듈에의 레벨 변환 클럭 출력(CKO), 하위 모듈 혹은 마스터부(8)로부터의 셧다운 입력(SDI)과 상위 모듈에의 레벨 변환 셧다운 출력(SDO)을 갖는다. 이들 클럭 및 셧다운 신호의 레벨 변환은 도 5에 도시한 레벨 변환과 마찬가지의 방법으로 달성할 수 있다.
모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)는 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-6, 11b-6)로부터 클럭 신호를 받고, 이 클럭 신호에 동기하여 단전지의 전압 측정을 실시한다. 모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)는 셧다운 신호를 보호 신호용 레벨 변환 회로(11a-6, 11b-6)로부터 받고, 셧다운 신호가 공급된 경우에는, 단전지 전압 스위치(7a, 7b)나 자신의 전원, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)의 전원을 꺼서, 전력 소비를 저감한다. 셧다운 신호가 해제되면, 전원을 넣어 기동하고, 클럭 신호에 동기한 동작이 개시된다.
마스터부(8)는, 마스터로 이루어지는 감시 제어부(10), 방전 금지 스위치(13), 충전 금지 스위치(15), 저항(25), 오차 증폭기(27)를 갖고 있다. 저항(25)과 방전 금지 스위치(13)와 충전 금지 스위치(15)는 직렬로 접속되고, 전지 모듈(3b)과 -단자 B 사이에 설치된다.
감시 제어부(10)는, 보호 신호 레벨 변환 회로(11b-6)로부터의 과방전 금지를 위한 보호 신호에 의해 방전 금지 스위치(13)를 오프시킴으로써 전지 모듈(3a, 3b)에 흐르는 전류를 차단한다. 감시 제어부(10)는, 보호 신호 레벨 변환 회 로(11b-6)로부터의 과충전 금지를 위한 보호 신호에 의해 충전 금지 스위치(15)를 오프시킴으로써 전지 모듈(3a, 3b)에 흐르는 전류를 차단한다. 이에 의해, 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn)의 과방전 또는 과충전을 금지할 수 있다.
또한, 저항(25)의 양단 전압을 오차 전압으로서 오차 증폭기(27)가 증폭하고, 감시 제어부(10)는, 오차 전압이 소정 전압 이상으로 된 경우에는, 저항(25)에 과전류가 흐른 것으로 하여, 충전 금지 스위치(15)를 오프시킴으로써, 전류를 차단한다. 이에 의해, 과전류 보호가 행하여진다．
또한, 저항(25)의 양단 전압을 차동 증폭기(27)에서 증폭된 전압을 측정함으로써 전지 시스템에 흐르고 있는 전류를 측정할 수 있다. 이 전류를 감시 제어부(10)에서 적분함으로써 전지의 충전 상태를 알 수 있다. 흐르고 있는 전류와 충전 상태에 기초하여, 전류가 적고, 전지의 잔량이 많은 경우에는 클럭 출력 CKO가 저속 클럭으로서 출력된다. 모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)의 전력 소비가 저감된 상태에서 각 셀 전압의 측정이 행하여진다. 측정 종료와 동시에 셧다운 신호 SDO가 출력되어, 모듈에서의 소비 전력이 저감된다. 감시 제어부(10) 자신도 어느 정도 이상 전류가 적은 경우에는, 저속 클럭 혹은 슬립 모드로 되거나 하여 소비 전력이 저감된다.
감시 제어부(10)에는 인터럽트 기능이 설정되고, 전류가 임의의 레벨 즉 차동 증폭기(27)의 출력 전압이 임의의 임계값을 초과하였을 때에는 감시 제어부(10)가 슬립 상태로부터 기동하여, 통상적으로 동작 모드로 된다. 또한, 전류가 매우 큰 경우에는 감시 제어부(10)는 클럭 출력 CKO를 고속 클럭으로서 출력하고, 모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)를 항상 동작시켜, 전압 측정을 빈번하게 행하여, 보호 기능을 강화한다. 또한, 감시 제어부(10) 자신도 고속 클럭으로 동작함으로써, 전류값의 적분 시간을 짧게 하고, 고정밀도의 전류 적산을 실시하여, 전지 잔량을 정확하게 측정한다.
감시 제어부(10)는, 충전 금지 입력 CI, 혹은 방전 금지 입력 DO가 있었던 경우에는, 충전 금지 스위치(15) 또는 방전 금지 스위치(13)에 의해 전류가 차단된 후에, 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)를 통하여 슬레이브로 이루어지는 모듈 감시 제어부(9a-6, 9b-6)의 각각으로부터 보호 신호나 단셀의 전압 정보를 수집하고, 수집된 보호 신호나 단셀의 전압 정보에 기초하여 어느 단셀에서 이상이 발생하였는지의 여부를 판정한다. 이에 의해, 어느 단셀에서 이상이 발생하였는지를 파악할 수 있다.
또한, 감시 제어부(10)는, 외부의 장치 COM으로부터의 요구에 따라서, 보호 신호나 단셀의 전압 정보를 외부의 장치에 출력한다. 이에 의해, 외부의 장치에서는, 전지 모듈(3a, 3b)의 충방전 관리를 행할 수 있다.
또한, 감시 제어부(10)는, 외부의 장치 COM으로부터의 보수 명령을 수신하면, 이 보수 명령에 기초하여, 우선, 방전 금지 스위치(13)를 끄고, 방전 금지 신호 MO를 통신용 레벨 변환 회로(14b, 14a)를 통하여 모듈 감시 제어부(9b-6, 9a-6)에 송신한다. 보호 신호용 레벨 변환 회로(11b-6)는, 방전 금지 신호(MI)를 받으면, 방전 금지 출력 DO2를 출력하고, 방전 금지 스위치(23a 및 23b)를 끈다. 이에 의해, 모듈의 방전을 금지할 수 있어, 안전하게 보수 작업을 실시할 수 있다．
(실시예 6)
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템의 구성 블록도이다. 도 10에 도시하는 전지 시스템은, 직렬로 접속된 전지 모듈(1a-7, 1b-7)과, 전지 시스템 전체의 감시 제어를 행하는 마스터부(8a)를 직렬로 접속하여 이루어진다.
전지 모듈(1a-7, 1b-7)은, 직렬로 접속된 복수의 단셀(3a1∼3an, 3b1∼3bn), 단전지 전압 스위치(7a, 7b), 모듈 감시 제어부(9a-7, 9b-7), 보호 신호용 레벨 변환 드라이버(11a-7, 11b-7), 제어용 레벨 변환 회로(11a-8, 11b-8), 통신용 레벨 변환 회로(14a-1, 14b-1), 방전 금지 스위치(23a, 23b), 모듈 방전용 스위치 저항(27a, 27b)을 갖고 있다.
모듈 감시 제어부(9a-7, 9b-7)는, 도 1에 도시하는 모듈 감시 제어부(9a, 9b)의 기능을 가짐과 함께, 감시 제어부(10a)에 대하여 슬레이브로서 동작한다. 보호 신호용 레벨 변환 드라이버(11a-7, 11b-7)는, 상위 모듈로부터의 방전 금지 입력 및 하위 모듈 혹은 마스터부(8a)에의 레벨 변환 방전 금지 출력 기능, 상위 모듈로부터의 충전 금지 입력 및 하위 모듈 혹은 마스터부(8a)에의 레벨 변환 충전 금지 출력 기능을 갖는다.
제어용 레벨 변환 회로(11a-8, 11b-8)는, 하위 모듈 혹은 마스터부(8a)로부터의 모듈 방전 금지 입력, 상위 모듈에의 레벨 변환 모듈 방전 금지 출력, 하위 모듈 혹은 마스터부(8a)로부터의 클럭 입력과 상위 모듈에의 레벨 변환 클럭 출력, 하위 모듈 혹은 마스터부(8a)로부터의 셧다운 입력과 상위 모듈에의 레벨 변환 셧다운 출력을 갖는다. 통신용 레벨 변환 회로(14a-1, 14b-1)는, 도 9에 도시하는 통신용 레벨 변환 회로(14a, 14b)의 구성과 동일하다.
모듈 감시 제어부(9a-7, 9b-7)는, 제어용 레벨 변환 회로(11a-8, 11b-8)로부터 클럭 신호를 받고, 클럭 신호에 동기하여 단전지의 전압 측정을 실시한다. 모듈 감시 제어부(9a-7, 9b-7)는 셧다운 신호를 제어용 레벨 변환 회로(11a-8, 11b-8)로부터 받고, 셧다운 신호가 공급된 경우에는, 단전지 전압 스위치(7a, 7b)나 자신의 전원, 통신용 레벨 변환 회로(14a-1, 14b-1)의 전원을 꺼서, 전력 소비를 저감한다. 셧다운 신호가 해제되면, 전원을 넣어 기동하고, 클럭 신호에 동기한 동작이 개시된다.
마스터부(8a)는, 도 9에 도시하는 마스터부(8)와 대략 동일한 구성으로 이루어진다. 방전 금지 스위치(23b)는, 방전 금지 해제 스위치 S2로부터의 방전 금지 해제 신호에 의해 온하여 복수의 단셀(3b1∼3bn)의 방전 금지를 해제한다. 제어용 레벨 변환 회로(11b-8)는, 방전 금지 해제 스위치 S1로부터의 방전 금지 해제 신호를 전지 모듈(1a-7)의 제어용 레벨 변환 회로(11a-8) 및 방전 금지 스위치(23a)에 출력한다.
도 11은, 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에 설치된 하위 전위의 전지 모듈로부터 상위 전위의 전지 모듈에의 통신을 행하는 통신용 레벨 변환 회로(14a-1, 14b-1) 및 제어용 레벨 변환 회로(11a-8, 11b-8)의 구성 블록도이다. 도 11에 도시하는 변환 회로는, 하위 전위의 전지 모듈(1n)로부터 상위 전위의 전지 모듈(1(n+1))에의 통신을 행한다.
전지 모듈(1n)에서, 복수의 단셀 V1∼V10(복수의 단셀(3a1∼3an)에 대응)의 양단에는, P형의 MOSFETQ31과 저항 R3과 저항 R4의 직렬 회로가 접속되고, MOSFETQ31의 게이트-드레인간에는 저항 R1과 제너 다이오드 ZD1의 병렬 회로가 접속된다. MOSFETQ31의 게이트에는 저항 R2를 통하여 커넥터 CN1이 접속된다. 저항 R3과 저항 R4의 접속점에는, N형의 MOSFETQ32의 게이트 및 N형의 MOSFETQ33의 게이트가 접속되고, MOSFETQ32의 드레인은 저항 R5 및 커넥터 CN2를 통하여 전지 모듈(1(n+1))의 커넥터 CN1'에 접속된다. MOSFETQ33의 드레인은 저항 R6을 통하여 전지 모듈(1n)의 도시하지 않은 마이크로컴퓨터에 접속된다. MOSFETQ32 및 MOSFETQ33의 각각의 소스는, 저항 R4의 일단에 접속된다. 전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1n)과 마찬가지로 구성되고, 전지 모듈(1n)의 각 부의 부호에 '를 또한 붙여서 구별된다.
전지 모듈(1n)은, 전지 모듈(1(n-1))로부터의 신호를 전지 모듈(1n)의 마이크로컴퓨터와 전지 모듈(1(n+1))에 출력하고, 전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1n)로부터의 신호를 전지 모듈(1(n+1))의 마이크로컴퓨터와 전지 모듈(1(n+2))에 출력한다.
다음으로, 도 11에 도시하는 전지 모듈간의 통신 처리가 설명된다. 여기서는, 전지 모듈(1n) 내의 MOSFETQ31, Q32, Q33의 동작이 설명되는데, 전지 모듈(1(n+1)) 내의 MOSFETQ31', Q32', Q33'의 동작도 마찬가지이다. 또한, 시리얼 통신 입력의 논리는 액티브 로우이며, 하위 전위의 전지 모듈이 미접속 시에는 비액티브이다. 우선, 하위 전위의 전지 모듈로부터의 신호가 없는 경우 또는 신호 RXL_N이 H 레벨(오픈)인 경우에는, MOSFETQ31, Q32, Q33 모두가 오프로 된다. 즉, 입력 신호가 없는 경우, 회로에 흐르는 전류는 0으로 된다.
한편, 하위 전위의 전지 모듈로부터의 신호 RXL_N이 접속되어 있어, 신호가 L 레벨(온)인 경우에는, MOSFETQ31, Q32, Q33 모두가 온으로 된다. 이 때문에, 상위 전위의 전지 모듈에의 신호 TXH_N 및 전지 모듈 내의 마이크로컴퓨터에의 신호 RX_3N은 L 레벨로 된다. 이 때문에, 전지 모듈간에서 신호가 전달된다.
또한, 단셀 V1'의 정극과 단셀 V10의 부극 사이에는, 저항 R1'와 저항 R2'와 커넥터 CN1'와 커넥터 CN2와 저항 R5와 MOSFETQ32의 직렬 회로가 접속되어 있으므로, MOSFETQ31, Q32가 오프 시라도 그 드레인-소스간 전압 Vds는, 전지 모듈 전압(V1∼V10의 총 전압)의 2배의 전압이면 된다. 이 때문에, MOSFETQ31, Q32는 저내압의 소자를 이용할 수 있다.
도 12는, 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에 설치된 상위 전위의 전지 모듈로부터 하위 전위의 전지 모듈에의 통신을 행하는 통신용 레벨 변환 회로(14a-1, 14b-1)의 구성 블록도이다. 도 12에 도시하는 변환 회로는, 상위 전위의 전지 모듈(1(n+1))로부터 하위 전위의 전지 모듈(1n)에의 통신을 행한다.
전지 모듈(1n)에서, 복수의 단셀 V1∼V10의 양단에는, P형의 MOSFETQ35와 저항 R11의 직렬 회로가 접속됨과 함께, 저항 R12와 저항 R13과 N형의 MOSFETQ36의 직렬 회로가 접속된다. MOSFETQ35의 드레인-게이트간에는 저항 R9가 접속되고, MOSFETQ35의 게이트에는, 저항 R10을 통하여 전지 모듈(1n)의 도시하지 않은 마이크로컴퓨터로부터 신호가 입력된다. 커넥터 CN2와 단셀 V10의 부극 사이에는 저항 R7과 저항 R8의 직렬 회로가 접속되고, 저항 R8의 양단에는 제너 다이오드 ZD2가 접속된다. 저항 R7과 저항 R8의 접속점은, MOSFETQ34의 게이트에 접속된다. MOSFETQ35의 소스와 저항 R11의 접속점은, MOSFETQ36의 게이트에 접속되고, MOSFETQ36의 드레인은 MOSFETQ34의 드레인에 접속된다. 저항 R12의 양단에는, MOSFETQ37의 드레인-게이트가 접속되고, MOSFETQ37의 소스는, 저항 R4를 통하여 커넥터 CN1에 접속된다. 전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1n)과 마찬가지로 구성되며, 전지 모듈(1n)의 각 부의 부호에 '를 또한 붙여서 구별된다.
전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1(n+2))로부터의 신호와 전지 모듈(1(n+1))의 마이크로컴퓨터로부터의 신호와의 논리합 출력을 전지 모듈(1n)에 출력하고, 전지 모듈(1n)은, 전지 모듈(1(n+1))로부터의 신호와 전지 모듈(1n)의 마이크로컴퓨터로부터의 신호와의 논리합 출력을 전지 모듈(1(n-1))에 출력한다.
다음으로, 도 12에 도시하는 전지 모듈간의 통신 처리가 설명된다. 여기서는, 전지 모듈(1n) 내의 MOSFETQ34∼Q37의 동작이 설명되는데, 전지 모듈(1(n+1)) 내의 MOSFETQ34'∼Q37'의 동작도 마찬가지이다. 또한, 시리얼 통신 입력의 논리는 액티브 하이이며, 상위 전위의 전지 모듈이 미접속 시에는 비액티브이다.
우선, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호가 없는 경우 또는 신호 RXH_P가 접속되어 있지 않은 경우에서 또한 전지 모듈 내의 마이크로컴퓨터로부터의 신호 TX_3N이 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ34∼Q37 모두가 오프로 된다. 즉, 신호가 없는 경우, 회로에 흐르는 전류는 0으로 된다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호 RXH_P가 접속되어 있고, 신호가 H 레벨이며 또한 전지 모듈 내의 마이크로컴퓨터로부터의 신호가 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ34는 온하고, MOSFETQ35, Q36은 오프하기 때문에, MOSFETQ37은 온한다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호가 없는 경우 또는 신호 RXH_P가 접속되어 있지 않은 경우에서 또한 전지 모듈 내의 마이크로컴퓨터로부터의 신호 TX_3N이 L 레벨인 경우에는, MOSFETQ34는 오프하고, MOSFETQ35, Q36, Q37은 온한다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호 RXH_P가 접속되어 있고, 신호가 H 레벨이며 또한 전지 모듈 내의 마이크로컴퓨터로부터의 신호가 L 레벨인 경우에는, MOSFETQ34∼Q37 모두가 온한다. MOSFETQ37이 온하였을 때에는, 전지 모듈간에서 신호가 전달된다.
또한, 단셀 V1'의 정극과 단셀 V10의 부극 사이에는, MOSFETQ37'와 저항 R14'와 커넥터 CN1'와 커넥터 CN2와 저항 R7과 저항 R8의 직렬 회로가 접속되어 있으므로, MOSFETQ37'가 오프 시라도 그 드레인-소스간 전압 Vds는, 전지 모듈 전압(V1∼V10의 총 전압)의 2배의 전압이면 된다. 이 때문에, MOSFETQ37'는 저내압의 소자를 이용할 수 있다.
도 13은, 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에서 과충전 금지 보호 신호의 전지 모듈간 통신을 행하는 보호 신호용 레벨 변환 드라이버(11a-7, 11b-7)의 구성 블록도이다. 도 13에 도시하는 변환 드라이버는, 자기의 전지 모듈의 과충전 금지 보호 신호와 상위 전위의 전지 모듈로부터의 과충전 금지 보호 신호와의 논리합을 하위 전위의 전지 모듈에 출력한다.
전지 모듈(1n)에서, 복수의 단셀 V1∼V10의 양단에는, 저항 R18과 저항 R19와 N형의 MOSFETQ39의 직렬 회로가 접속된다. MOSFETQ39의 소스-게이트간에는 저항 R17이 접속되고, MOSFETQ39의 게이트에는, 전지 모듈(1n)의 과충전 금지 보호 신호가 입력된다. 커넥터 CN2와 단셀 V10의 부극 사이에는 저항 R15와 저항 R16의 직렬 회로가 접속되며, 저항 R16의 양단에는 제너 다이오드 ZD3이 접속된다. MOSFETQ38의 드레인은 MOSFETQ39의 드레인에 접속된다. 저항 R18의 양단에는, MOSFETQ40의 드레인-게이트가 접속되고, MOSFETQ40의 소스는, 저항 R20을 통하여 커넥터 CN1에 접속된다. 전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1n) 과 마찬가지로 구성되며, 전지 모듈(1n)의 각 부의 부호에 '를 또한 붙여서 구별된다.
전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1(n+2))로부터의 과충전 금지 보호 신호와 전지 모듈(1(n+1))의 과충전 금지 보호 신호와의 논리합 출력을 전지 모듈(1n)에 출력하고, 전지 모듈(1n)은, 전지 모듈(1(n+1))로부터의 과충전 금지 보호 신호와 전지 모듈(1n)의 과충전 금지 보호 신호의 논리합 출력을 전지 모듈(1(n-1))에 출력한다.
다음으로, 도 13에 도시하는 전지 모듈간의 통신 처리가 설명된다. 여기서는, 전지 모듈(1n) 내의 MOSFETQ38∼Q40의 동작이 설명되는데, 전지 모듈(1(n+1)) 내의 MOSFETQ38'∼Q40'의 동작도 마찬가지이다. 또한, 과충전 금지 보호 신호 입력의 논리는 액티브 하이이며, 상위 전위의 전지 모듈이 미접속 시에는 비액티브이다.
우선, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호가 없는 경우 또는 과충전 금지 보호 신호 COH_P가 접속되어 있지 않은 경우에서 또한 자기의 전지 모듈 내의 과충전 금지 보호 신호 CO_3P가 L 레벨인 경우에는, MOSFETQ38∼Q40 모두가 오프로 된다. 즉, 신호가 없는 경우, 회로에 흐르는 전류는 0으로 된다. 또한, 상위 전위 의 전지 모듈로부터의 과충전 금지 보호 신호 COH_P가 접속되어 있고, 신호가 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ38은 온한다. 자기의 전지 모듈로부터의 과충전 금지 보호 신호 CO_3P가 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ39가 온하고, MOSFETQ38의 온과 MOSFETQ39의 온이 내부 회로에서 논리합되어 MOSFETQ40이 온한다. 이 때문에, 하위 전위의 전지 모듈에의 신호 COL_P는 H 레벨로 되어, 전지 모듈간에서 신호가 전달된다. 또한, 신호 CO_3P 또는 신호 COH_P가 액티브일 때에 상기 변환 드라이버에 전류가 흘러, 과충전 셀이 방전된다. 즉, 과충전이 검출될 때에는, 과충전 셀로부터 방전하는 방향에서 과충전 금지 보호 신호가 전달된다.
또한, 단셀 V1'의 정극과 단셀 V10의 부극 사이에는, MOSFETQ40'와 저항 R20'와 커넥터 CN1'와 커넥터 CN2와 저항 R15와 저항 R16의 직렬 회로가 접속되어 있으므로, MOSFETQ40'가 오프 시라도 그 드레인-소스간 전압 Vds는, 전지 모듈 전압(V1∼V10의 총 전압)의 2배의 전압이면 된다. 이 때문에, MOSFETQ40'는 저내압의 소자를 이용할 수 있다.
도 14는, 본 발명의 실시예 6에 따른 전지 시스템에서 과방전 금지 보호 신호의 전지 모듈간 통신을 행하는 보호 신호용 레벨 변환 드라이버의 구성 블록도이다. 도 14에 도시하는 변환 드라이버는, 자기의 전지 모듈의 과방전 금지 보호 신호와 상위 전위의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호와의 논리합을 하위 전위의 전지 모듈에 출력한다.
전지 모듈(1n)에서, 복수의 단셀 V1∼V10의 양단에는, 저항 R25와 저항 R26과 N형의 MOSFETQ41과 N형의 MOSFETQ42의 직렬 회로가 접속된다. MOSFETQ42의 게 이트-소스간에는 저항 R24가 접속되고, MOSFETQ42의 게이트에는, 전지 모듈(1n)의 과방전 금지 보호 신호가 입력된다. 커넥터 CN2와 단셀 V10의 부극 사이에는 저항 R21과 저항 R22의 직렬 회로가 접속되고, 저항 R21과 저항 R22의 접속점에는 MOSFETQ41의 게이트가 접속된다. 저항 R22의 양단에는 제너 다이오드 ZD4가 접속된다. 저항 R25의 양단에는, MOSFETQ43의 드레인-게이트가 접속되고, MOSFETQ43의 소스는, 저항 R27을 통하여 커넥터 CN1에 접속된다. 전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1n)과 마찬가지로 구성되고, 전지 모듈(1n)의 각 부의 부호에 '를 또한 붙여서 구별된다.
전지 모듈(1(n+1))은, 전지 모듈(1(n+2))로부터의 과방전 금지 보호 신호와 전지 모듈(1(n+1))의 과방전 금지 보호 신호와의 논리합 출력을 전지 모듈(1n)에 출력하고, 전지 모듈(1n)은, 전지 모듈(1(n+1))로부터의 과방전 금지 보호 신호와 전지 모듈(1n)의 과방전 금지 보호 신호의 논리합 출력을 전지 모듈(1(n-1))에 출력한다.
다음으로, 도 14에 도시하는 전지 모듈간의 통신 처리가 설명된다. 여기서는, 전지 모듈(1n) 내의 MOSFETQ41∼Q43의 동작이 설명되는데, 전지 모듈(1(n+1)) 내의 MOSFETQ41'∼Q43'의 동작도 마찬가지이다. 또한, 과방전 금지 보호 신호 입력의 논리는 액티브 로우이며, 상위 전위의 전지 모듈이 미접속 시에는 액티브이다.
우선, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 신호가 없는 경우 또는 과방전 금지 보호 신호 DOH_N이 H 레벨로 접속되어 있지 않은 경우에서 또한 자기의 전지 모듈 내의 과충전 금지 보호 신호 DI_3N이 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ41∼Q43 모두가 온으로 된다. 즉, 과방전 금지 보호 신호가 없는 경우, 회로에 전류가 흐른다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DOH_N이 L 레벨 또는 오픈이며 또한 자기의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DI_3N이 H 레벨인 경우에는, MOSFETQ41이 오프하고, MOSFETQ42가 온하며, MOSFETQ43이 오프한다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DOH_N이 H 레벨이며 또한 자기의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DI_3N이 L 레벨인 경우에는, MOSFETQ41이 온하고, MOSFETQ42, Q43이 오프한다. 또한, 상위 전위의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DOH_N이 L 레벨이며 또한 자기의 전지 모듈로부터의 과방전 금지 보호 신호 DI_3N이 L 레벨인 경우에는, MOSFETQ41∼43 모두가 오프한다.
또한, 단셀 V1'의 정극과 단셀 V10의 부극 사이에는, MOSFETQ43'와 저항 R27'와 커넥터 CN1'와 커넥터 CN2와 저항 R21과 저항 R22의 직렬 회로가 접속되어 있으므로, MOSFETQ43'가 오프 시라도 그 드레인-소스간 전압 Vds는, 전지 모듈 전압(V1∼V10의 총 전압)의 2배의 전압이면 된다. 이 때문에, MOSFETQ43'는 저내압의 소자를 이용할 수 있다.
또한, 통상 시에는, MOSFETQ41∼43이 온하여 변환 드라이버에 전류가 흐른다. 이에 대하여, 과방전 검출 시에는, MOSFETQ41∼43이 오프하여 전류 소비를 없애, 과방전 셀로부터의 방전을 억제할 수 있다．
또한, 본 발명은, 실시예 1 내지 6의 전지 시스템에 한정되지 않는다. 실시 예 1 내지 6의 전지 시스템에서는, 각각의 전지 모듈 내의 1 이상의 단셀이 직렬로 접속되었지만, 예를 들면, 1 이상의 단셀이 병렬로 접속되어도 된다. 혹은, 1 이상의 단셀이 직병렬로 접속되어도 된다．
본 발명의 전지 시스템은, 예를 들면, 전기 자동차나 하이브리드 카 등의 배터리에 적용 가능하다.

Claims (8)

  1. 전지 모듈로서,
    1 이상의 단셀과, 상기 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 각 전압의 전압 정보를 출력함과 함께 상기 전압 정보가 소정값으로 될 경우에 전원 라인을 차단하기 위한 신호를 차단 수단에 출력하는 감시 제어부와, 제1 커넥터 및 상기 제1 커넥터와는 별도로 설치된 제2 커넥터를 가지며, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터를 통하여 제1 및 제2의 다른 전지 모듈과 자신의 전지 모듈과의 사이에서 상기 전압 정보의 송수신을 행하는 통신 회로를 가지며,
    상기 통신 회로는, 상기 1 이상의 단셀을 구성하는 조전지(組電池)의 정극에 일단이 접속되는 제1 저항과,
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 접속되며, 타단에 상기 제1 커넥터로부터 상기 전압 정보가 입력되는 제2 저항과,
    드레인이 상기 조전지의 정극에 접속되며, 게이트가 상기 제1 저항과 상기 제2 저항이 접속되는 배선에 접속되며, 상기 제1 커넥터로부터의 상기 전압 정보가 상기 제2 저항을 통하여 상기 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제1 스위치 소자와,
    일단이 상기 제1 스위치 소자의 소스에 접속되며, 타단이 상기 조전지의 부극에 접속되는 제3 저항과,
    일단이 상기 제2 커넥터에 접속되는 제4 저항과,
    게이트가 상기 제3 저항의 일단에 접속되며, 소스가 상기 조전지의 부극에 접속되며, 드레인이 상기 제4 저항의 타단에 접속되며, 상기 제1 스위치 소자가 턴온될 때에 턴 온됨으로써 상기 제1 커넥터로부터의 상기 전압 정보를 상기 제4 저항을 통하여 상기 제2 커넥터에 전달하는 제2 스위치 소자
    를 갖는, 전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 전지 모듈로서,
    1 이상의 단셀과, 상기 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 상기 각 전압의 전압 정보를 출력함과 함께 상기 전압 정보가 소정값으로 될 경우에 전원 라인을 차단하기 위한 신호를 차단 수단에 출력하는 감시 제어부와, 제1 커넥터 및 상기 제1 커넥터와는 별도로 설치된 제2 커넥터를 가지며, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터를 통하여 제1 및 제2의 다른 전지 모듈과 자신의 전지 모듈과의 사이에서 상기 전압 정보의 송수신을 행하는 통신 회로를 가지며,
    상기 통신 회로는, 상기 1 이상의 단셀을 구성하는 조전지(組電池)의 부극에 일단이 접속되는 제1 저항과,
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 접속되며, 타단에 상기 제1 커넥터로부터 상기 전압 정보가 입력되는 제2 저항과,
    게이트가 상기 제1 저항과 상기 제2 저항이 접속되는 배선에 접속되며, 상기 제1 커넥터로부터 상기 전압 정보가 상기 제2 저항을 통하여 상기 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제1 스위치 소자와,
    상기 자신의 전지 모듈의 상기 전압 정보가 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제2 스위치 소자와,
    일단이 상기 제2 커넥터에 접속되는 제3 저항과,
    드레인이 상기 조전지의 정극에 접속되며, 소스가 제3 저항의 타단에 접속되며, 상기 제1 스위치 소자로부터 출력되는 상기 제1 커넥터로부터의 상기 전압 정보와 상기 제2 스위치 소자로부터 출력되는 상기 자신의 전지 모듈의 상기 전압 정보와의 논리합을 상기 제3 저항을 통하여 상기 제2 커넥터에 출력하는 제3 스위치 소자
    를 갖는, 전지 모듈.
  4. 삭제
  5. 전지 모듈로서,
    1 이상의 단셀과, 상기 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 각 전압 중 어느 하나의 전압이 상한값으로 될 경우 과충전 금지를 위한 보호 신호를 출력하는 모듈 감시 제어부와, 제1 커넥터 및 상기 제1 커넥터와는 별도로 설치되는 제2 커넥터를 가지며, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터를 통하여 제1 및 제2의 다른 전지 모듈과 자신의 전지 모듈과의 사이에서 상기 보호 신호의 송수신을 행하고, 상기 전지 모듈에 직렬로 접속되며 또한 상기 보호 신호에 의해 상기 1 이상의 단셀의 과충전을 차단하는 차단 수단에, 상기 보호 신호를 송신하는 송신 수단을 가지며,
    상기 송신 수단은,
    상기 1 이상의 단셀을 구성하는 조전지의 부극에 일단이 접속되는 제1 저항과,
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 접속되며, 타단에 상기 제1 커넥터로부터 상기 보호 신호가 입력되는 제2 저항과,
    게이트가 상기 제1 저항과 상기 제2 저항이 접속되는 배선에 접속되며, 상기 제1 커넥터로부터 상기 보호 신호가 상기 제2 저항을 통하여 상기 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제1 스위치 소자와,
    상기 자신의 전지 모듈의 상기 보호 신호가 게이트에 입력될 때에 턴온되는 제2 스위치 소자와,
    일단이 상기 제2 커넥터에 접속되는 제3 저항과,
    드레인이 상기 조전지의 정극에 접속되며, 소스가 상기 제3 저항의 타단에 접속되며, 상기 제1 스위치 소자로부터 출력되는 상기 제1 커넥터로부터의 상기 보호 신호와 상기 제2 스위치 소자로부터 출력되는 상기 자신의 전지 모듈의 상기 보호 신호와의 논리합을 상기 제3 저항을 통하여 상기 제2 커넥터에 출력하는 제3 스위치 소자
    를 갖는, 전지 모듈.
  6. 삭제
  7. 전지 모듈로서,
    1 이상의 단셀과, 상기 1 이상의 단셀의 각 전압을 검출하는 전압 검출부와, 상기 전압 검출부에서 검출된 각 전압 중 어느 하나의 전압이 하한값으로 될 경우 과방전 금지를 위한 보호 신호를 출력하는 모듈 감시 제어부와, 제1 커넥터 및 상기 제1 커넥터와는 별도로 설치되는 제2 커넥터를 가지며, 상기 제1 커넥터 및 상기 제2 커넥터를 통하여 제1 및 제2의 다른 전지 모듈과 자신의 전지 모듈과의 사이에서 상기 보호 신호의 송수신을 행하고, 상기 전지 모듈에 직렬로 접속되며 또한 상기 보호 신호에 의해 상기 1 이상의 단셀의 과방전을 차단하는 차단 수단에, 상기 보호 신호를 송신하는 송신 수단을 가지며,
    상기 송신 수단은
    상기 1 이상의 단셀을 구성하는 조전지의 부극에 일단이 접속되는 제1 저항과,
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 접속되며, 타단에 상기 제1 커넥터로부터 상기 보호 신호가 입력되는 제2 저항과,
    게이트가 상기 제1 저항과 상기 제2 저항이 접속되는 배선에 접속되며, 상기 제1 커넥터로부터 상기 보호 신호가 상기 제2 저항을 통하여 상기 게이트에 입력되지 않을 때에 턴온되는 제1 스위치 소자와,
    상기 자신의 전지 모듈의 상기 보호 신호가 게이트에 입력되지 않을 때에 턴온되는 제2 스위치 소자와,
    일단이 상기 제2 커넥터에 접속되는 제3 저항과,
    드레인이 상기 조전지의 정극에 접속되며, 상기 제1 스위치 소자로부터 출력되는 상기 제1 커넥터로부터의 상기 보호 신호와 상기 제2 스위치 소자로부터 출력되는 상기 자신의 전지 모듈의 상기 보호 신호와의 논리합을 상기 제3 저항을 통하여 상기 제2 커넥터에 출력하는 제3 스위치 소자
    를 갖는, 전지 모듈.
  8. 삭제
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